Fusie om de hoek; NIEUW MODEL KERNFUSIEREACTOR WIL NADELEN TOKAMAK OMZEILEN - Dirk van Delft

Op het moment dat conventionele fusiereactoren volgens het tokamak-principe zwaar onder vuur liggen, oppert Henk Monkhorst vanuit Florida een totaal andere aanpak. Zijn idee: een kleinschalige, schone en eenvoudige constructie.

DE CHINEZEN zijn al langs geweest en onderhandelingen met particuliere geldschieters zijn in volle gang: de Colliding Beam Fusion Reactor van Henk Monkhorst en Norman Rostoker heeft over aandacht geen klagen. Hun idee voor een nieuw type kernfusiereactor lijkt te mooi om waar te zijn: geen bestraling van de wanden rondom het plasma en dus geen radioactiviteit, geschikt voor kleine vermogens van enkele megawatt, en een relatief eenvoudige constructie op rails. "Alle kritiek vanuit het fusie-establishment hebben we tot nu toe weten te pareren", zegt Monkhorst vanuit Florida. "Ik ben ervan overtuigd dat onze aanpak werkt."

Monkhorst, in Groningen gepromoveerd in de theoretische chemie, vertrok in 1968 naar de Verenigde Staten. Na tien jaar Salt Lake City streek hij neer in Gainesville, waar hij hoogleraar natuurkunde en chemie is aan de Universiteit van Florida. Zijn interesse in fusie-onderzoek dateert van 1984, toen hij zich boog over 'muon-gekatalyseerde kernfusie'. Kernfusie is het samensmelten van twee lichte atoomkernen, bijvoorbeeld deuterium en tritium (beide vormen van zware waterstof), tot een zwaardere. Bij dit proces wordt (volgens E=mc) massa omgezet in energie, in hoeveelheden die zeer veel groter zijn dan in chemische reacties het geval is. Omdat atoomkernen door hun positieve lading elkaar afstoten, vereist fusie zeer hoge temperaturen: pas dan zijn botsingen zo krachtig dat de kernen elkaar voldoende dicht naderen om tot samensmelting te komen.

ZWARE BROERTJES

Monkhorst: "Het idee was een soort koude kernfusie, overigens niet te verwarren met het latere debacle van Pons en Fleischman. Door de bindende elektronen in deuterium- en tritium-atomen te vervangen door muonen, zware broertjes van het elektron, worden die atomen kleiner zodat fusie bij lagere temperatuur optreedt. Het werkt, maar ook heb ik aangetoond dat dit procťdť geen netto energie oplevert: muonen maken gaat niet efficiŽnt genoeg. Ik heb dat specifieke onderwerp toen losgelaten, maar intussen zat het fusievirus in mijn hoofd."

Monkhorsts ideeŽn over een nieuw type fusiereactor komen op een moment dat de internationale gemeenschap sterk aarzelt of zij wel op het ingeslagen pad moet voortgaan. Dat pad had in 2010 zullen resulteren in de oplevering van ITER, de International Thermalnuclear Experimental Reactor, een project waarin zowel de Verenigde Staten, Europa, Rusland als Japan deelnemen en dat 10 miljard dollar moet gaan kosten. Afgelopen maand hadden de Engineering Design Activities een uitgewerkt ontwerp en een bouwlocatie moeten opleveren, maar door technische en economische problemen is de start van de bouwfase met drie jaar uitgesteld en het budget stevig gesnoeid. Monkhorst: "In Amerika is de opinie sterk anti-ITER, het nu genomen besluit lijkt een soort uitstel van executie. Het Congres dwingt het Department of Energy alternatieven in ogenschouw te nemen. Dat zal een hoop moeite geven, ze zijn daar nog volledig gefixeerd op reactors volgens het Tokamak-principe."

De Tokamak is een uitvinding van de Russische fysici Andrei Sacharov en Igor Tamm. In dit type fusiereactor is het plasma, het zeer hete geÔoniseerde gasmengsel waarin de fusie plaastvindt, met magneetvelden opgesloten in een torus (de vorm van een autoband). Sinds de Russen halverwege de jaren zestig opzienbarende resultaten met hun Tokamak boekten, met name op het gebied van de opsluittijd en de dichtheid van het plasma, gaat bijna alle aandacht naar dit type uit. Maar kernfusie bleef de energie van de toekomst. Monkhorst: "Toen er maar geen praktische resultaten op tafel kwamen, is het fusiebudget in de VS teruggebracht van een miljard dollar per jaar naar ruim tweehonderd miljoen. Daar zijn de alternatieven het slachtoffer van geworden. De cultuur, traditie en ook de opleiding staan volledig in het teken van de Tokamak, voor andere ideeŽn is geen plaats. Begrijp me goed, ITER is een prachtig fysisch experiment, maar voor de ingenieur en de econoom is het vooral een nachtmerrie. Men heeft zich tezeer geconcentreerd op natuurkundige vragen, de recht-toe-recht-aan-opdracht om zo'n ding nu eens daadwerkelijk te bouwen is lang veronachtzaamd."

De bezwaren tegen de Tokamak zijn drieŽrlei, zegt Monkhorst. "Om te beginnen is de magnetische opsluiting van het plasma door turbulenties slechter dan gedacht. Om toch een efficiŽnte reactor te krijgen, is een groot volume nodig, zodat de deeltjes niet te snel wegdiffunderen en er voldoende tijd is voor fusie. Dat leidt tot torus-afmetingen van 30 meter breed en 30 meter hoog, en een minimum vermogen van een paar gigawatt. Met toebehoren krijg je dan al snel een installatie zo groot als de Rose-bowl, zeg maar de Arena. Bovendien gaat het om fusie van deuterium en tritium. Daarbij komen neutronen vrij die tachtig procent van de energie bij zich dragen. Omdat neutronen ongeladen zijn, ontsnappen ze aan de magnetische opsluiting, bombarderen de reactorwand en de omhullende mantel, en veroorzaken beschadigingen en radioactiviteit. Ook is onderhoud aan de wand, het vacuŁmsysteem en de magnetische spoelen door de torusvorm erg bewerkelijk. Samengevat: een tamelijk monsterlijke, onhandelbare constructie."

De fusiereactor zoals Monkhorst die zich voorstelt is kleinschalig, vrij van radioactieve onderdelen en kan zonder bezwaar in het hartje van een stad een plaats krijgen. Het idee van de Colliding Beam Fusion Reactor dateert van zomer 1994. Monkhorst: "Ik had me verdiept in het werk van Norman Rostoker, een oude rot op het gebied van fusie aan de Universiteit van CaliforniŽ in Irvine. Het ging om een alternatieve manier van magnetische opsluiting van het plasma, de zogeheten Field Reversed Configuration. Die kent een ringvormig plasma in een lineair systeem, met een stroom zo sterk dat de veldlijnen in de ring terugbuigen. Dat type plasma is al twintig jaar wereldwijd grondig bestudeerd, theoretisch en experimenteel. Het is zeer stabiel, met weinig weglekken, zodat de reactorafmetingen beperkt kunnen blijven tot 1,5 bij 10 meter. Nu hebben de deeltjes in die ring normaal gesproken allemaal dezelfde gemiddelde snelheid. Daardoor treden er te weinig botsingen op die fusie opleveren. Mijn idee was het nu om in dit type plasma bundels waterstof en boron te schieten, met zo'n verschil in snelheid dat de kop-staartbotsingen tussen boronkernen en protonen in de ring optimaal krachtig zijn om fusie te genereren."

Dat gekozen is voor boron en waterstof heeft een reden: weliswaar levert fusie minder energie op dan die van deuterium en tritium (8,7 MeV per 'treffer' in plaats van 17,7 MeV), het resultaat is steeds drie alfadeeltjes (heliumkernen) en gťťn neutronen. Door hun hoge snelheid ontsnappen deze alfadeeltjes aan de magnetische opsluiting en spiraliseren naar beide uiteinden van de reactor. Daar worden ze opgevangen in een 'omgekeerd cyclotron', een apparaat dat hun energie direct, dus zonder tussenkomst van warmtewisselaars als stoomcircuits die bij Tokamaks nodig zijn, omzet in elektrische stroom. Monkhorst: "Toen ik Rostoker opbelde, begreep hij het eerst niet. Maar toen ik hem in november '94 op een conferentie in Washington ontmoette, en het idee met wat krabbeltjes op een krant toelichtte, raakte hij enthousiast. We hebben het samen uitgewerkt, een patent ingediend en gesprekken met ingenieurs hebben ons ervan overtuigd dat het idee werkt. Boron is goedkoop en ruim voorhanden, een reactor van 100 megawatt verbruikt slechts 200 gram per dag."

Een publicatie in Science (21 november 1997) bracht de Colliding Beam Fusion Reactor onder de aandacht van een breder publiek. Monkhorst: "Dat artikel heeft een hoop discussie losgemaakt. In november wijdt een conferentie in New Orleans een mini-symposium aan ons ontwerp. Intussen lobbyen we bij het Congres en bij het Department of Energy om steun. De Naval Service War Centre, een denktank in Virginia, doet momenteel studie naar de verschillende typen fusiereactoren. Mochten we daar smelling like roses uit tevoorschijn komen, wat ik verwacht, gaat wellicht ook de Office of Naval Research overstag. Die hebben ons tot nu toe financieel gesteund maar omdat we bekvechten met mensen van het Naval Research Lab in Washington ziet het er nu niet naar uit dat ze in ons ontwikkelingsplan om binnen tien jaar tot een prototype te komen willen investeren."

Er is meer kritiek. Dr. A. Carlson, een Amerikaanse fusie-expert werkzaam op het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in het Duitse Garching, meende dat Monkhorsts reactor alsnog hoge doses neutronen zou uitstralen. De matroos in de artist's conception van het Science-artikel, aldus Carlson, zou zonder shielding 'dood zijn eer hij kon vallen'. Na contact met Florida is deze aantijging inmiddels herroepen. Monkhorst: "Mijn schatting van het aantal neutronen dat door botsingen in het plasma van protonen en alfadeeltjes ontstaat en uit de reactor ontsnapt, was inderdaad te laag, maar lang niet zo hoog als Carlson aanvankelijk wilde doen geloven. Als afscherming volstaat een laagje plastic met boron."

IN TWIJFEL

Op andere punten geeft Carlson minder makkelijk toe. In een technical comment in Science van 17 juli houdt hij staande dat een fusiereactor die op waterstof en boron werkt nimmer netto energie zal opleveren. In een nawoord worden zijn berekeningen door Monkhorst en Rostoker in twijfel getrokken. Van zijn kant laat Carlson vanuit Garching weten dat "het weerwoord hem niet heeft overtuigd", dat "de aanvullende berekeningen" die hem enkele weken geleden waren beloofd "nog altijd niet zijn gearriveerd" en dat Monkhorst "zich uit die discussie had teruggetrokken". Niettemin meent de Amerikaan dat het idee een grondige studie waard is.

Het ligt in de bedoeling een prototype van de Colliding Beam Fusion Reactor te bouwen in Tallahassee (Florida), waar zich het National High Magnetic Field Laboratory bevindt. Totale kosten: 70 miljoen dollar. Als aanloop doen groepen in Gainesville en Irvine drie jaar theoretisch en experimenteel onderzoek om tot fine tuning van de reactorparameters te komen. Alhoewel de benodigde 15 miljoen dollar voor deze feasability study nog niet rond zijn, wil Monkhorst van opgeven niet weten. "Zodra zich een fatale fout aandient, is het voorbij. Maar die is er nog altijd niet. Rostoker en ik zijn beiden hoogleraar, voor ons staat er weinig op het spel. Wel voor de wereld, onze oplossing voor het fusievraagstuk kan veel op gang helpen."

Onderschrift:

Tekening: Bij een tokamak bevindt het plasma zich in een torus, opgesloten door middel van omringende magneten. Door instabiliteiten kunnen relatief veel deeltjes ontsnappen. In een tokamak-plasma volgen de geladen deeltjes (waaronder de fuserende deuterium- en tritiumkernen) een dubbele spiraalbaan en volgen zo de magnetische veldlijnen. Magnetische opsluiting van een plasma volgens de Field Reversed Configuration. De ringstroom van plasmadeeltjes, aangegeven met de dikke pijl, is zo sterk dat de veldlijnen terugvouwen en zo beletten dat het plasma weglekt. Artist's conception van een 100 megawatt Colliding Beam Fusion Reactor. De brandstof bron en waterstof (protonen), worden met aparte deeltjesversnellers in het plasma genjecteerd. De alfadeeltjes die in het fusieproces ontstaan spiraliseren naar beide uiteinden van het reactorvat, waar ze via direct conversion hun energie afgeven. De afgebeelde matroos heeft te maken met de hoofdsponsor van het reactorontwerp: het Naval Research Lab in Washington.